基于可适应设计的检品机产品平台构建.docx

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基于可适应设计的检品机产品平台构建

摘要

市场的日益竞争要求企业在产品设计生产方面具有更快的响应速度和更强的响应能力，增强产品的功能，提高产品的质量，降低企业的设计和制造成本。

本文在研究检品机的基础上，引入了可适应设计的思想，应用到机电产品的设计中。

探讨了一般的可适应设计的原理和方法在检品机平台构建中的应用，探讨检品机的可适应设计过程。

在检品机需求分析的基础上对检品机进行了产品族规划和功能分析，构建功能结构图和基于超图的检品机模型，对检品机进行了模块化产品平台构建和基于模块化产品平台的升级与变型。

文章的主要研究内容包括：

第一部分：

综述了可适应设计及相关技术研究现状，提出了本课题的研究内容、意义和检品机的发展和研究现状。

第二部分：

提出了可适应设计、可适应产品和可适应平台的概念，并提出了基于模块化产品平台的升级与变型过程。

研究了面向多域空间的可适应设计过程。

详细的介绍了基于需求分析检品机可适应设计过程。

第三部分：

在检品机需求分析的基础上对检品机进行了产品族规划和功能分析，构建功能结构图和基于超图的检品机模型，对检品机进行了模块化产品平台构建和基于模块化产品平台的升级与变型。

关键词：

检品机；产品平台；可适应设计；模块化设计

ApplicationofAdaptableDesigninProductPlatformDesignforSeizedGoodsRewinder

Abstract

Marketcompetitionsrequiremanufacturingenterprisestohavefasterandstrongerresponse,enhancethefunctionoftheproducts,improveproductquality,andreducethecostofdesignandproduce.Inthispaper,basedontheresearchoftheSeizedgoodsRewinder;bringintheideaofAdaptableDesign（AD）,appliedtothedesignofmechanicalandelectricalproducts.DiscussingtheapplicationofthegeneralADdesigntheoryandmethodinbuildingtheplatformofSeizedgoodsRewinder.Thearticleinthestudydesignthatcanbeadaptedtothegeneralmethodtoexplorethebasisofseizedgoodscanbeadaptedtomachinedesignprocess.BasedontheSeizedgoodsRewinderneedsanalysis,dotheproductsfamilyplanningandfunctionalanalysis,constructfunctionalstructureandthemodelofSeizedgoodsRewinderbaseontheHypergraph,constructthemodularproductplatformandimproveandchangetheplatformbaseonthemodularproductplatform.Themaincontextsareasfollowing:

Part1:

Anoverviewofthedesigncanbeadaptedtoresearchandrelatedtechnologies,proposedstudyofthesubjectcontent,significanceandseizedgoodsinmachinedevelopmentandresearch.

Part2:

Raisingtheadaptabledesign,adaptableproductandadaptableplatform,andtheupgradeandvariantbaseonthemodularproductplatform.Researchtheadaptabledesignprocessformulti-domainspace.DetailedtheSeizedgoodsRewinderadaptabledesignprocessbasedonneedsanalysis.

Part3:

BasedontheSeizedgoodsRewinderneedsanalysis,dotheproductsfamilyplanningandfunctionalanalysis,constructfunctionalstructureandthemodelofSeizedgoodsRewinderbaseontheHypergraph,constructthemodularproductplatformandimproveandchangetheplatformbaseonthemodularproductplatform.

Keywords:

SeizedgoodsRewinder;productplatform;adaptabledesign;modulardesign

1.绪论

1.1检品机产品发展与研究

1.1.1检品机的应用与发展

检品机主要用于印刷行业和包装行业。

检品机是一种具有高精度、高灵敏度的复卷、检品设备。

适用于卷筒状的印刷薄膜、复合薄膜及卷筒纸制品的印刷、涂布、复合后的全自动品质检验，也可用于上述材料的复卷，是印刷、涂布、复合等工序必不可少的检验设备。

目前国产检品机技术仍停留在传统的水平,低速、目视而且是间断地检测印刷品检测水平多依赖于检查人员的素质无法实现连续、定量检查和记录结果无法发现细小、偶发的缺陷。

随着市场经济的发展和塑料软包装行业的发展，我国商品包装和装潢正进行升级换代。

市场对塑料复合软包装产品也提出了越来越高的要求。

检品复卷机由人工配合频闪仪来检品、剔除废边，发展到CCD摄像机半自动检品再到电脑自动检去不合格产品，完全取代人工检验，电脑实现真正全检。

而可加工工件的尺寸范围也不断的扩大，宽度可达1300mm，放、收卷最大直径可达1000mm。

如汕头华鹰软包装设备总厂有限公司的FJ-1200Ⅱ检品复卷机配有国外先进的3CCD型彩色传感照相机,及先进图象识别系统及贴标装置。

可实现高速、高精度、连续不间断的检查可记录1000个缺陷图象可通过贴标装置在印刷图案有缺陷的位置上贴上标签,通过旧操作系统可与公司的网络系统连接起来,并能传送所有的数据。

1.1.2检品机的分类

可从检品的功能的自动化程度把检品机分为低档、中档、高档三个类别。

高档检品机主要特点：

主要适应印刷后薄膜和纸张的检验，可正反转，由电脑自动检去不合格产品，完全取代人工检验，电脑实现真正全检。

EPC装置准确控制端面平整度，快速调整参数适应产品快速更换，墨色定量分析，多种建模方式适应范围更广。

机台工人简单操作，高级人员精细设置，本机具有检品精度高、复卷整齐、生产效率高、劳动强度小的特点，为下道工序复合节约成本提供良好条件。

图1-1汕头市华鹰软包装设备总厂的检品复卷机FJ-1250B型号

1.2可适应设计概念和研究现状

1.2.1可适应设计概念的提出

可适应设计（AdaptableDesign，AD）是顾佩华教授在全球经济、资源和环境变迁以及未来的可持续发展的要求的大环境下，提出的一种全新设计理念。

可适应设计是这样的设计：

在综合应用各种现代设计技术，包括公理化设计、模块化设计、产品平台设计、生态设计基础上面向现代产品多任务、多品种、个性化设计需求，建立可适应产品设计平台。

它通过适应设计和产品满足新的需要，来获得经济和环境效益：

新技术、新的客户需求、新的市场机会、新的政府法规、新的挑战和竞争。

可适应设计是指适应社会经济、环境、资源的动态变迁；适应技术进步；适应用户个性化需求；适应全生命周期内产品与社会的协调。

从技术方面考虑可适应设计的特点是：

1）全面考虑社会对各种产品各个方面的约束，对每种特定的约束有一种相应的设计技术；2）不同的设计技术集成在一个设计平台上，用来约束产品的不同属性和形态；3）在同一个产品模型上，运用可适应设计技术，可快速设计出可适应产品[1]。

1.2.2可适应设计技术

可适应设计是以许多现代的设计方法为基础（例如模块化设计、产品平台设计、产品族规划方法等）。

可适应设计是一个多目标设计过程，是一个功能驱动结构设计的过程。

它要求前期概念、结构设计规划人员既要尽量收集、把握、消化掉现有的客户、市场需求，又要尽可能设想可能的、潜在的、现在未能表达出、表现出来的需求（功能、经济、能源、环境、人性化等）。

前期的一些考虑也许未必能立即在实际中应用，但在不断的实践过程中，作为一种知识、试验甚至是实体产品储备可大大增加企业对未来应变的敏捷反应能力。

可适应设计背后的哲理是一种适应新需求并且当环境变化时重用产品和设计的能力。

可适应能力在时间上延长了产品的服务，或者扩展产品进入其他应用。

可适应产品在生命和应用能力上的扩展通常需要额外的工作，称之为适应过程。

可适应性比可再用性优越性体现在：

可适应性可以使用所需的绝大部分部件，而可在用性则在产品供应链的早期阶段就要回收材料并重新制造。

可适应设计的主要内容模块化设计、平台设计、总线/接口设计、功能－结构映射、可适应性评价等。

可适应设计过程包括产品建模、产品平台构建、总线接口设计、可适应评价。

1.2.3可适应设计研究现状

可适应设计的理念最早由顾佩华教授在卡尔加里大学时提出，他在文章中讨论了可适应设计作为一种设计哲理其目的不仅是企业的成功也包括对环境的保护，并定义可适应性为产品的功能或服务的延伸，文章提出了两种类型的可适应性：

设计的可适应性和产品的可适应性，可适应设计的三个核心因素是：

功能独立、可适应性的度量和设计过程模型函数。

这可以说是国外的一些研究情况。

在国内，华中科技大学的PeigenLi教授把针对产品的可适应设计的重点放在实现产品的调节和适应能力：

不仅能满足顾客的要求而且能满足当前的和进化的产品环境。

提出了面向产品的可适应设计方法架构（产品系统信息→设计→评价）、产品到产品系统的可适应度定量评价方法，并指出了如何在工业中实施此方法的指导方针。

天津大学产品设计与制造研究所也是从事可适应设计研究机构。

在学术论文文中提出了一种新的产品族可适应度评价方法，并确定了重用设计和可适应度的四个因素：

产品总体布局、截面形式、筋板布局元结构和筋板，并将可适应设计简介陈述为在可适应边界下的可适应平台设计。

提出了两个共用性决策标准：

灵敏度和相似度。

通过广义模块化方法和对元建模的变型得到产品变型。

针对可适应设计的方法和应用做了全面和系统的阐述。

提出了可适应性的三种类型：

产品可适应性、设计可适应性和制造可适应性。

在产品的功能结构、物理结构的基础上，针对机械产品结构，研究了实现产品可适应设计的具体方法，包括可适应平台设计、可适应模块设计和可适应接口设计。

分析了产品平台的四种类型：

广义平台、工艺和制造平台、标准部件平台和模块化平台。

提出了五种可适应接口类型：

机械接口、能量转换接口、电气接口、固件驱动接口和软件接口。

建立了可适应设计过程模型，指出可适应设计是在一定的可适应度和性能鲁棒裕度约束下面向产品族的系统优化设计。

实现可适应设计的实用技术包括基于灵敏度分析和相似分析平台变量决策、基于广义柔性模块的变型产品创建、综合各种现代设计技术的可适应设计系统构建等。

针对机械结构设计，给出了可适应度和性能鲁棒裕度的具体计算公式。

针对喷涂机器人研究了实现可适应设计的方法和技术，并提出了机械总线的思想，其在研究了可适应设计一般方法的基础上针对管道喷涂机和箱体喷涂机的具体情况进行了模块划分、平台构造、模块模型创建、产品结构强度评价等系列工作，并进行了总线接口的创建技术研究，在此基础上完成了计算机辅助喷涂机可适应设计系统开发工作[2]。

1.3可适应设计相关技术研究现状

1.3.1产品功能分析

功能分析是工程设计中的一种重要手段，它处于产品设计的概念设计阶段，是产品设计的第一步[3]。

分析功能是为了将顾客的需求映射成一种清晰的描述，它包括对功能的认识以及功能的分析、分解和组合。

在对旧产品的改造设计中，只有用功能的观点来观察和认识机器才能抓住其本质，使思维从现有的结构形式中超脱出来，探寻更多更新的原理方案，不断推进技术的发展。

而进行一种新产品的设计，实际上就是根据用户要求将所确定的总功能落实到具体结构上。

在设计开始时，对产品总功能的认识往往是概括性的，比较抽象的，并带有一定的复杂性。

直接从总功能获得实现功能的具体结构是不可能，因此，需要通过功能分析和分解，从简单的子功能中找出所对应的实体方案。

功能是产品所具有的重要属性，是从使用角度对产品提出的要求。

就机械产品而言，功能就是产品必须解决的问题，以及为解决此问题产品应完成的动作和发挥的作用。

在机械设计领域内，功能是确定所研究的产品应该做什么，或者要达到什么目的，并指出特定的解决途径。

在模块化设计中，功能就是产品（或模块）所具有的能满足用户需要的特性，或者说是产品（或模块）所具有的效能、用途和使用价值。

现在有一种说法：

顾客购买的实质上是一种或多种功能，产品充其量是功能的载体。

为了更好地分析设计对象的功能，排出功能重要性序列，下面首先对机械产品的功能进行分类[4]：

（1）按功能的重要程度分类。

可分为基本功能和辅助功能。

（2）按功能的用途分类。

一般可分为驱动功能、传动功能、控制功能、工作功能。

其中，机器以工作部件完成工作功能；动力源实现驱动功能，常反映能量传递及转换；传动功能反映运动和动力的传递，包括运动方向、大小、性质的变化，它的功能载体可以是电力、液压或机械式的。

（3）按功能的性质分类。

可分为使用功能和美学功能。

其中使用功能指产品的运用性、可靠性、安全性和可维护性等，而美学功能则主要指产品的造型、色彩装饰等。

（4）按使用要求分类。

可分为必要功能和不必要功能。

其中完成总功能不可缺少的功能是必要功能，而不必要功能包括冗余功能和过剩功能。

原则上是保证必要功能，调整过剩功能，去除冗余功能。

但是有的产品设计中冗余功能有其另外的作用。

如机床模块化设计中一些模块的结构冗余，在某种模块拼装中是冗余，而在另一种类型的模块拼装中则是必要功能。

所以必要的冗余是允许的。

1.3.2模块化设计

模块化原理不但是方法学也是一种思想.无论在任何行业都有模块化设计的思想,尤其适合应用于信息技术方面，效果更明显。

在模块化《原理设计方法及应用》一书中对模块化的理解:

通过对某一类产品系统的分析和研究,把其中含有相同或相似的功能单元分离处理,用标准化的原理进行统一,归并,简化,以通用单元的形式独立存在.这就是分解而得到的模块,然后用不同的模块组合来形成多种产品.这种分解和组合的全过程就是模块化.新产品（系统）=通用模块（不变的部分）+专用模块（变动的部分）。

在日常的生活当中,模块化的思想（电脑主板、积木等）无处不在。

模块化设计最早是在50年代由欧美国家的学者提出[5]。

作为一种现代的设计方法，模块化的产生有着它深刻的时代背景。

童时中在文献指出模块化产生的时代背景为：

（1）社会需求的多样化和高级化；

（2）小批量、多品种的生产方式；（3）生产的分散化；（4）生产的社会化和市场的全球化。

企业实行模块化的目的是为了提高效率，减少成本（产品设计和企业管理）[6]。

模块化的在不同领域的具体不同定义。

计算机程序设计之模块化设计。

所谓的模块化设计，简单地说就是程序的编写不是开始就逐条录入计算机语句和指令，而是首先用主程序、子程序、子过程等框架把软件的主要结构和流程描述出来，并定义和调试好各个框架之间的输入、输出链接关系。

逐步求精的结果是得到一系列以功能块为单位的算法描述。

以功能块为单位进行程序设计，实现其求解算法的方法称为模块化。

模块化的目的是为了降低程序复杂度，使程序设计、调试和维护等操作简单化。

　产品设计之模块化设计。

为开发具有多种功能的不同产品，不必对每种产品施以单独设计，而是精心设计出多种模块，将其经过不同方式的组合来构成不同产品，以解决产品品种、规格也设计制造周期、成本之间的矛盾，这就是模块化设计的含义。

模块化设计与产品标准化设计、系列化设计密切相关，即所谓的“三化”。

“三化”互相影响、互相制约，通常合在一起作为评定产品质量优劣的重要指标，是现代化原理开始用于机床设计，到本世纪50年代，欧美一些国家正式提出“模块化设计”概念，把模块化设计提到理论高度来研究。

目前，模块化设计的思想已渗透到许多领域，例如机床、减速器、家电、计算机等等。

在每个领域，模块及模块化设计都有其特定的含义。

　模块：

一组具有同一功能和接合要素（指联接部位的形状、尺寸、联接件间的配合或啮合等），但性能、规格或结构不同却能互换的单元。

　机械产品的模块化设计。

床卡具、联轴器可称为模块，有些零部件如插头、插座，广而言之也可称为模块，但不如称为标准件为好。

在模块化设计中，也用到大量的标准件，但模块多指标准件之外、仍需被设计而又可以用于不同的组合、从而形成具有不同功能的设备的单元。

　模块化设计：

在对产品进行市场预测的基础上，并对一定范围内的产品或系统进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能独立、结构独立的基本单元--模块，并使模块系列化、通用化、标准化，通过模块的选择和组合组成不同的产品或系统，以满足不同的需求。

可见，模块化设计是一个功能分解—设计模块—模块组合的分解和组合的过程，模块化设计注重产品或系统的功能独立与结构独立。

在模块化设计过程中，不可避免的涉及到模块的接口设计。

模块化设计中的接口指是有着相互结合关系的模块在结合部位存在的具有一定几何形状、尺寸和精度的边界结合表面。

模块化设计中要求接口标准化、易于加工。

这种设计方法称为模块化设计。

　模块化设计的主要方式有：

（1）横系列模块化设计。

不改变产品主参数，利用模块发展变形产品。

这种方式是易实现，应用最广。

常是在基型品种上更换或添加模块，形成新的变形品种。

例如，更换端面铣床的铣头，可以加装立铣头、卧铣头、转塔铣头等，形成立式铣床、卧式铣床或转塔铣床等。

（2）纵系列模块化设计。

在同一类型中对不同规格的基型产品进行设计。

主参数不同，动力参数也往往不同，导致结构形式和尺寸不同，因此较横系列模块化设计复杂。

若把与动力参数有关的零部件设计成相同的通用模块，势必造成强度或刚度的欠缺或冗余，欠缺影响功能发挥，冗余则造成结构庞大、材料浪费。

因而，在与动力参数有关的模块设计时，往往合理划分区段，只在同一区段内模块通用；而对于与动力或尺寸无关的模块，则可在更大范围内通用。

　（3）横系列和跨系列模块化设计。

除发展横系列产品之外，改变某些模块还能得到其它系列产品者，便属于横系列和跨系列模块化设计了。

德国沙曼机床厂生产的模块化镗铣床，除可发展横系列的数控及各型镗铣加工中心外，更换立柱、滑座及工作台，即可将镗铣床变为跨系列的落地镗床。

　（4）全系列模块化设计。

全系列包括纵系列和横系列。

例如，德国某厂生产的工具铣，除可改变为立铣头、卧铣头、转塔铣头等形成横系列产品外，还可改变床身、横梁的高度和长度，得到三种纵系列的产品。

（5）全系列和跨系列模块化设计。

主要是在全系列基础上用于结构比较类似的跨产品的模块化设计上。

例如，全系列的龙门铣床结构与龙门刨、龙门刨床和龙门导轨磨床相似，可以发展跨系列模块化设计。

1.3.3产品平台设计

对产品平台术语的定义有多种，产品平台是一组产品共享设计与零部件的集合，通过对产品平台添加、去除和替换一个或多个模块可以衍生出不同的产品。

共享同一个产品平台的产品系列就构成了产品族。

产品族中的单个产品叫做产品变量。

产品族中所有的产品变量具有相似性，它们共享相同的结构和产品技术[7]。

目前产品平台的类型有：

模块化产品平台、参数化产品平台和柔性模块化平台。

在模块化产品平台中平台由模块构成，部件、零件、特征、接口具有通用性，模块可组合、可互换；参数化平台由一组参数描述，部分参数具有通用性，部分参数尺度可调整。

柔性模块化平台综合了上述两种平台的优点。

针对单一的产品的开发模式的弊端:

不同产品或产品线中失去通用性、兼容性、标准化和模块化，产品平台的开发模式则可以增加产品的多样性和减少管理的复杂性，并可以降低开发成本缩短供货周期。

采用产品平台的开发模式尤其适合于大型复杂系统或机构，比如大型的交通工具（汽车、飞机）。

美国的波音和法国的空客以及福特汽车则是应用产品平台设计的典范。

在基于产品平台的开发模式中，产品平台的构建尤为重要。

早期的产品平台构建方法是TimothyW.Simpson,JonathanR.A.Maier在文献[8]提出了自顶向下法和自底向上法。

自顶向下法是针对新产品开发的规划方法，它从分析市场/客户的需求数据入手，在此基础之上确定产品的功能、特性，再把这些产品的功能、特性转化为用共用产品平台和不同功能模块来表达的框架结构。

有些文章采用自底向上法以已有产品的功能结构为基础，通过划分产品模块、分析模块性矩阵得到模块化产品平台。

在产品方案设计阶段构建模块化产品平台的方法该方法采用模块设计思想，将产品按照功能划分模块。

用模块来构建产品平台。

在构建产品平台时充分利用可调节模块的参数化设计特点，最大程度地扩展了产品平台，使基于产品平台的产品族设计能够快速、高效地完成。

以产品族多样化指标与耦合指标来构建产品族的模块化平台结构。

这两种方法都是模块化产品平台构建的例子。

广义模块化法以柔性元结构为基础构建广义模块化产品族和产品平台则是柔性模块化平台的例子。

在大规模定制中,也引用了产品平台，认为产品平台是实现大规模定制的一种手段。

1.3.4公理化设计

公理化设计理论（AxiomaticDesignTheory）是由麻省理工大学机械系的NamP.Suh提出的。

它将信息量引入了设计过程，是一种可量化的设计原理。

目前有代表性的应用主要集中在机械产品设计、软件设计等方面。

公理化设计的四个主要概念是：

域（Domain）、层次（Hierarchies）、曲折映射（Zigzaggng）和设计公理（DesignAxioms）。

其思想的核心是多域映射，即把设计活动分为用户域（CustomerDomain）、功能域（FunctionalDomain）、物理域（PhysicalDomain）和流程域（ProcessDomain）。

用户域代表用户关心的目标，用顾客需求（CustomerNeeds）来代表。

功能域代表设计方案的功能需求，用功能需求（FunctionalRequirement）来代表，功能需求之间要满足约束（Constraints）。

物理域描述设计方案的设计参数（DesignParameters），工艺域表达用于实现设计参数的流程变量（ProcessVariables）。

四个域的相互关系和作用如图1-2所示。

图1-2设计过程的四个域关系

对于每一对相邻的域，左边域表示“What：

要获得什么”，右边域